基于海洋菌藻系统对海水冲厕污水的处理研究

摘 要：为了研究海水冲厕污水的最佳处理方法，本文建立了新的海洋细菌藻类系统，对营养物质去除和微生物生物量生产以及兼性异养除碳进行了分析。结果表明：菌藻系统中的细菌和藻类是互惠的，其营养物质去除和生物量生产力均优于单个藻类和细菌系统的总和。藻类系统对铵的吸收效果高于细菌系统，而细菌系统中的海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）可以增强铵的去除效果，同时微藻生物量的生产力高于污水处理，与城市污水处理结果基本相同，其产生的生物量富含蛋白质，可转化为生物原油，作为生物燃料的原料。菌藻系统中的互惠关系可有效去除碳和营养物质，保证有机碳被细菌利用，避免有机物过量导致出水水质恶化。

关键词：菌藻系统；污水处理；生物量；兼性异养

中图分类号：X 24 " 文献标志码：A

海水冲厕是缓解沿海地区淡水压力的重要替代方案，然而，海水黑水富营养化、盐度高，给城市污水处理带来了极大的挑战。城市污水处理目前主要集中在去除元素和达到排放标准，将营养物质的回收和生物质的生产作为潜在的生物燃料原料，是一种以资源为导向的废水处理方案。为探求最合理的方案，本文建立新的海洋细菌藻类系统，对海水冲厕污水的处理进行了研究，对营养物质去除和微生物生物量生产以及兼性异养除碳进行了分析。

1 研究材料和方法

1.1 研究材料

本研究采用合成海水黑水作为试验废水，该废水为厕所冲洗污水。本次研究的污水参数如下。PO4-P：38mg/L（K2HPO4

为P源）。NH4+-N：220mg/L（NH4Cl为N源）。COD：1640mg/L（葡萄糖和乙酸钠为C源）。微量元素溶液：Na2DEAT为66.2g/L、

CaCl2为5.7g/L、ZnSO4·7H2O为4.1g/L、FeSO4·7H2O为5.2g/L、NaMoO4·2H2O为1.02g/L、CuSO4为1.04g/L、CoCl2·6H2O为1.67g/L，用HCl和NaOH将pH调节至7.5，合成废水的盐度为3.1%。

1.2 研究方法

在装有1.2L合成废水的照明培养箱中设置一个带有透气密封膜（保证气体自发交换）的圆柱形玻璃瓶（1.5L），将其作为光生物反应器（PBRs）（图1）。为了验证海水应用废水节能的处理方法，在28℃的光培养箱中，在静态状态下进行所有批次试验，不提供O2和CO2，明暗循环分别控制在14h和10h，用95μmol/（m2·s）的光照对生物反应器的3个侧面进行环化，用去离子水洗涤两次后，在生物反应器系统中培养藻类细胞。

在生物反应器系统中接种最佳的活化细菌液体，通过分批试验研究藻类和细菌的初始接种浓度。

为了区分和研究细菌和微藻对碳和营养物质去除以及微生物生物量产生的功能，通过接种在相同PBRs中的单一培养物来构建另外两个单一生物系统（仅藻类和仅细菌），每个单独系统的接种物浓度、合成废水和操作参数都与联合系统相同。

为了获得能代表整个系统（包括流出物和生物质）的样品，在取样前充分摇晃瓶子，同时收集反应器中的每个样品，并用10000r/min离心12min，将其分离为上清液和沉积物，用于水质测定（上清液）和微生物生物量（沉积物）。所有玻璃器皿和培养基均在120℃的环境下高压灭菌22min，以避免在试验设置过程中受到藻类和细菌的潜在污染。

分别用氧电极和pH电极常规测量溶解氧（DO）和pH，采用标准方法测定总磷（TP）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）和铵态氮。通过AgNO3预处理来去除Cl来测量COD，分析之前，用0.24mm过滤器过滤液体样品来去除微藻细胞和其他颗粒。

2 研究结果与分析

2.1 营养物质去除和微生物生物量生产

营养物质的去除受pH的影响，pH变化导致氨挥发和磷沉淀。在藻类系统中，由于过度消耗CO2和藻类嗜碱性，因此pH会从7.5增至9.3，pH过高可能会抑制微生物的生长，不利于水的再利用，添加化学试剂或向调节的pH提供额外的O2或CO2在环境和经济上均不可行。海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）对宽pH（5.5～9）具有适应性，可以将细菌系统和藻类细菌系统的pH分别维持在8.4和8.8，可以推断两性的细菌胞外聚合物（EPS）分泌并调节溶液pH。结果表明，海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）在藻类细菌系统中具有将培养基pH调至9以下的能力，这对保证出水标准和生物量产量具有重要意义[1]。

如图2所示，营养物质去除和生物量产生体现了藻类细菌系统的性能优于单个系统的总和，表明系统中的细菌和藻类是互惠的。与单个系统（分别为140.5mg/L和35.5mg/L）相比，去除了约177.5mg/L的铵态氮（NH4+-N）和37.8mg/L的总磷。对碳来说，这种模式与去除营养物质不同，细菌系统对营养物质的清除能力在最初阶段性能优异，去除效率为97.6%，但随后释放，藻类细菌系统性能最佳，最终浓度可以降至21.23mg/L。

如图2（a）所示，在最初的6.5d中，藻类系统几乎没有去除铵，而细菌系统中NH4+-N的浓度急剧降至159.9mg/L。

然而，藻类系统对铵的吸收量为83.6mg/L，最终高于细菌系统的55.96mg/L。硝酸盐是颤藻（S.platensis）的最佳氮源，但工业废水中的氮主要以铵的形式存在，高浓度的铵对藻类有毒，导致藻类生长受限甚至死亡[2-3]。藻类系统中铵去除的滞后性：在试验开始阶段，少量的藻类细胞无法承受高浓度的铵，颤藻（S.platensis）吸收磷作为生物质生长和生物合成的能量储存。在有利的能量状况下，当藻类生物量足够多时，铵作为营养物质可以用于藻类生长而不是抑制藻类生长，而海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）能够有效地脱氮，并可以耐受高浓度的铵（1600mg/L），在严格的好氧条件下生长。因此细菌系统中的海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）可以增强铵的去除效果，尤其是在前6.5d，去除氮主要跟藻类吸收有关。

磷与氮的去除趋势不同，在前2.5d，藻类系统（32.8mg/L）

和藻类细菌系统（29.5mg/L）去除趋势显著降低，如图2（b）所示，藻类表面碱性微区随着生长会沉淀，会生成约10.4mg/L

的磷。COD的去除结果与营养物降解不一致，即细菌系统在早期阶段可以有效去除碳，但对缺碳的营养物去除无效，这表明，如果没有外部碳添加单细菌系统，那么海水黑水中的碳和营养物质就无法同时存在。在这种藻类细菌系统中，颤藻（S.platensis）是一种混合营养蓝藻，它可以合成一定水平的溶解有机碳，用于细菌利用。

对微生物生物量的生产来说（表1），藻类细菌系统生物量的生产量为4.45g/L，高于单个系统的总生物量（3.92g/L），

单个和群落总和间的生物量差异表明，经过调节和适应6.5d，藻类和细菌间的关系从竞争变为互利共生（图3）。微藻80.6mg/L的生物量生产力高于污水处理。含盐废水中营养物质的可用性较低，辐射量也较低，因此藻类细菌系统的生物量生产力与城市污水处理结果基本相同。

表1总结了系统中的生物质组成。海洋弧菌可以将氮转移到细胞的蛋白质中，藻类细菌系统中的蛋白质水平为65.1%（干重），研究表明，藻类细菌产生的生物量对氮的同化能力强且富含蛋白质，高蛋白质可以通过水热液化转化为生物原油。此外，它在单一和互惠系统中获得的生物量都富含脂质。

藻类生物量的脂质含量高于培养基中的脂质含量，这说明在没有生长抑制的情况下，脂质含量随着盐度的增加而增加，并且颤藻（S.platensis）的脂质含量不受氮源的影响。然而，在藻类细菌系统中获得的生物质的碳水化合物产量较低，尽管藻类系统中碳水化合物的含量较高，但细菌并不富含碳水化合物。因此，利用新型海水回水处理生物系统的生物量产量除了具有环保意义外，还可以作为生物燃料的原料。

2.2 兼性异养除碳

颤藻（S.platensis）可以优先使用有机碳且呼吸速率较低，因此研究颤藻的系统兼性异养性能具有重要意义。

在不添加有机碳的封闭系统中，总氮和化学需氧量的水平变化不大，当化学沉淀时，磷含量略有下降，降至约31.2mg/L。在不含有机碳的开放体系中，总氮和总磷的去除量分别为74.6mg/L和23.2mg/L，而碳含量升至约31.2mg/L，颤藻可以利用空气中的CO2进行光合作用，产生一定量的O2和有机物。与兼性异养系统（含有机碳开放系统）相比，含有机碳的封闭系统养分去除效率为36.8%（氮）和59.8%（磷），而系统中的碳已经耗尽，这表明，当抑制空气中氧气和CO2的利用时，碳不足会导致氮和磷的去除效果较低。

异养系统和兼性异养系统的化学需氧量（COD）的水平下降率相似，进一步表明，当废水中的碳（无机和有机）短缺时，藻类可以优先利用有机碳和空气中的CO2为细菌合成有机材料，相对经济实惠的方法：高效活性污泥系统（HRAS）可以将废水中的有机物除至能源生产过程中，但无法同时去除氮和磷。可以通过主流厌氧处理（厌氧MBR）、UASB（上流式厌氧污泥床）回收添加额外的碳，但须进行脱氮操作，并且在处理过程中少回收氮。海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）和颤藻（S.platensis）间的互惠关系不仅可以保证有效去除碳和营养物质，还能使一定水平的溶解有机碳被细菌利用，避免有机物过量导致出水水质恶化。

3 结论

本文建立了新的海洋细菌藻类系统，对海水冲厕污水处理进行了研究，并对营养物质去除和微生物生物量生产以及兼性异养除碳进行了分析，得出以下结论。1）在营养物质去除和生物量产生条件下，藻类细菌系统的性能优于藻类和细菌单个系统的总和，与单个系统的总和（分别为140.5mg/L

和35.5mg/L）相比，藻类细菌系统去除了约177.5mg/L的铵态氮（NH4+-N）和37.8mg/L的总磷，营养物质的去除效率为97.6%。2）海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）能有效脱氮，增强铵的去除效果，藻类和细菌的生长可使海水黑水中的磷沉淀，而微藻的生物量生产力高于污水处理，其生物量生产力与城市污水处理结果基本相同，藻类细菌产生的生物量因其对氮的同化能力强所以富含蛋白质，高蛋白质通过水热液化转化为生物原油，通过回收可作为生物燃料的原料。3）在不含有机碳的开放体系中，总氮和总磷的去除量分别为74.6mg/L和23.2mg/L，而碳含量增至约31.2mg/L，基于兼性异养系统，海洋弧菌（Vibrio sp.Y1-5）和颤藻（S.platensis）间的互惠关系可有效去除碳和营养物质，并能保证溶解有机碳被细菌利用，以避免产生过量有机物而导致出水水质恶化。

参考文献

[1]梁子阳，彭嘉敏，张泳纯，等.低进水浓度CASS工艺沿程污染物去除特征及微生物群落变化[J].环境工程学报，2023，21（10）：1-12.

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[3]秦娜，刘新民.改性硅藻土对污水中重金属离子的吸附性能研究[J].矿产综合利用，2023，21（10）：1-6.